CPR方法与高分辨率二阶格式的混合算法

重构修正方法（correction procedure via reconstruction,CPR）具有紧致高效的优点,但对较强激波的捕捉能力还相对较弱,而加权紧致非线性格式（weighted compact nonlinear scheme,WCNS）具有很强的激波捕捉能力。将基于高阶WCNS插值的二阶格式引入到高阶CPR方法中,构造了一种高效高分辨率的混合激波捕捉格式。首先,基于非线性权偏离线性权的程度的激波侦测器侦测出问题单元,并在问题单元附近引入缓冲单元,其余单元则标记为光滑单元。然后,针对问题单元和缓冲单元采用二阶格式计算,光滑单元采用CPR方法计算,构造混合格式。通过对等熵涡问题、含激波的问题以及激波旋涡干扰问题的数值模拟,测试了混合格式的精度、激波捕捉能力和计算效率。数值模拟结果充分说明了该混合格式具有很强的激波捕捉能力,同时在光滑区具有高分辨特性,可以应用于高超声速流动问题的高效数值模拟中。相比于基于高阶WCNS插值的二阶格式,此格式具有更高的计算效率和更高的分辨率。     

有限差分法中几何守恒律的机理及算法

采用有限差分法求解复杂外形物体绕流场时经常进行坐标变换,由此会引入坐标变换系数等几何参数,采用不同的差分格式离散坐标变换系数得到的结果不同,导致在计算过程中可能出现均匀流场不能保持均匀的现象,消除这种误差需要研究几何守恒律。本文对坐标变换过程进行理论分析,发现坐标变换过程中采用的数学恒等式在离散条件下不再成立,这是引起物理量不守恒的本质机理,认为增加坐标变换系数恒等式作为源项的方程形式才是曲线贴体坐标系下的离散等价方程,提出只要源项和对流项的离散格式相同就能满足几何守恒律的构造准则。按照上述理论准则建立了基于离散等价方程的几何守恒律算法,通过AUSM、HLLC、Roe、VanLeer四种分裂格式的算例,表明这种新的几何守恒律算法适用于通量差分裂格式(Flux-Difference Splitting,FDS)和矢通量分裂格式(Flux-Vector Splitting,FVS),且均能消除由坐标变换(包括网格运动)引起的误差,保持流场的均匀特性。     

有关有限差分高精度格式两个应用问题的讨论

激波装配法结合有限差分高精度格式是发展全场一致高精度算法的一种途径。在对流场内的间断全部进行装配后,对高精度格式的应用研究成为发展本算法的主要研究问题。本文将有限差分的高精度格式应用于贴体坐标系时发现,对均匀流场,高精度格式因不满足几何守恒律而产生的数值误差比一阶迎风格式大,初步分析认为是由于高精度格式所用的模板比一阶格式更宽,涉及的网格点数更多,从而引入了更多的误差。而作者提出的基于离散等价方程的相容性算法可消除这一误差。此外,本文在利用激波捕捉法求解正方形均匀网格上的正激波运动问题时发现因通量分裂格式的使用,在激波处会产生随着特征线传播的非物理波动,这一波动在激波与网格不完全匹配时表现为多维波动相互干扰的虚假"数值湍流"现象,高精度格式的高分辨率特性使得这一现象更加明显。这是因为激波捕捉法假设激波为空间连续函数,用于包含激波的流场时必然得到数值解表示的过渡区,导致可信度评估困难,使用激波装配法可以避免这一问题。     

双曲守恒型方程的二阶摄动有限差分格式

对双曲守恒型方程，将其一阶迎风格式空间差商的常系数摄动展开为时间步长和空间步长的幂级数，通过确定幂级数系数而获得二阶精度的摄动有限差分(PFD)格式。进而从双曲守恒型方程的通量分裂型一阶迎风格式出发，通过类似的摄动展开方法，获得空间精度为二阶的通量分裂形式的摄动有限差分(FPFD)格式。这两类格式保留了一阶守恒迎风格式的简洁结构形式，使用三节点即可达到二阶精度，又避免了三点二阶格式的非物理数值振荡。并将这两类格式推广应用到双曲守恒型方程组，最后通过模型方程和一维激波管流动的数值算例验证了格式的高精度、高分辨率性质。     

求解双曲型守恒律的高精度,无波动样条逼近有限体积方法

本文从三次样条逼近出发，提出了求解流体力学双曲型守恒律的一种高精度、无波动的数值方法。针对样条函数的特性，本文提出了一种新的通量限制技术，使该方法在光滑区可以达到四阶精度，在流动参数的空间分布出现拐点或极值点时分别退化为二阶或一阶精度的格式。数值实验表明，该方法对流场中的激波和接触间断有很高的分辨率，优于二阶精度的ＴＶＤ格式。     

二维非结构网格上的高精度有限体积WENO格式

构造了非结构网格上二维双曲型守恒律的一类新的高精度有限体积WENO格式。其主要思想是:根据格式精度的要求,按照谱体积方法对三角形单元网格进行剖分,通过选取适当的子单元组成模板,利用WENO重构方法重构二阶和三阶多项式,利用有限体积公式和高阶Runge-Kutta TVD时间离散方法,构造了非结构网格上二维双曲型守恒律的一致二阶和三阶精度的有限体积WENO格式。然后,推广到二维Euler方程组。最后,给出几个数值算例,验证了格式的稳定性、高阶精度和高分辨捕捉激波等间断的能力。     

双曲守恒律方程的一种熵相容格式

提出了一种求解双曲守恒律方程的熵相容数值通量。在熵守恒通量中添加一个二阶迎风项和一个三阶的差商项来保持熵稳定并且抵消解在跨过激波时所产生的激波强度立方倍的熵增,从而实现熵相容。新的数值通量能精确保持定常的接触间断、消除非物理的膨胀激波及负压力等现象。通过采用近年发展起来的WENO方法在单元交界面处进行高阶重构,得到高阶精度的熵相容格式。数值算例采用空间半离散格式,并结合显式三步三阶Runge-Kutta(RK3)方法进行时间推进。不同的算例结果表明,格式具有稳定性、高分辨率和无振荡性等特点。     

一种基于间断Galerkin格式的新型限制器设计

使用高阶间断Galerkin格式求解守恒律方程组时,激波附近的Gibbs效应容易导致非物理解的产生。为抑制这一现象,必须构造合理的限制器对数值解进行处理。目前间断Galerkin格式中的限制器多源于有限体积法,在非结构网格上只对低阶导数项进行限制,对高阶导数项则很难给出普适判据。文章对间断Galerkin解进行广义Fourier展开,实现不同频域范围内的谱分解;在新的模板坐标系下描述各阶方向导数的变化规律;结合当前单元和相邻单元的信息,分层限制各阶方向导数,实现对非物理解的抑制。通过求解Euler方程,对二维Riemann问题、翼型周围的亚、跨声速流动问题、前台阶问题以及超燃冲压发动机内流场激波反射问题进行数值模拟,检验了新型限制器的可靠性以及向高阶格式推广的可行性。     

燃气自由射流的正格式数值模拟

采用二阶正格式方法对复杂燃气自由射流进行了数值模拟。将二维守恒方程的正格式方法发展到轴对称Euler方程组的求解,并对不同欠膨胀压力比下的燃气射流进行了数值计算。计算结果表明,该方法能够较好捕捉到波胞、滑移线、射流边界以及三波点等复杂射流流场波系结构,与实验照片反映的流动特征及高精度、高分辨率的三阶间断有限元方法的计算结果吻合较好,马赫盘位置与理论预估值和实验测量结果误差较小。证明该方法对激波具有较强的捕捉能力,为此类流动的数值研究提供了一种新手段。     

一种MWENO谱体积（SVMWEN05）格式

构造一种新的谱体积（spectral volume）格式来求解双曲型守恒律，记为SVMWEN05（Spectral Volume method by Multi—Weighted Essentially Non-Oscillatory）格式。其主要思想是：第一步，将空间计算区域划分为一系列单元，称为谱体积，等分每个谱体积为一些子单元，称为控制体积（controlvolume）。第二步，在谱体积内部采用类似MWEN05（Multi-Weighted Essentially Non—Oscillatory）的格式进行重构，而在谱体积的边界处采用传统WEN05格式进行处理。第三步，利用Runge—KutmTVD离散方法对半离散格式进行时间离散，得到时空一致高精度全离散格式。最后．在文中给出几个经典数值算例用以验证本格式的计算能力。     

一个基于通量分裂的高精度MmB差分格式

本文研究双曲型守恒律的高精度差分方法.在新的算法中,首先将计算区间划分为互不相交的小区间,再根据精度要求等分小区间;其次,根据流动方向进行通量分裂,重构小区间交界面上的正、负数值通量,并进行校正;然后,采用高阶Runge-Kutta TVD方法进行时间离散,构造了一维非线性双曲型守恒律方程的一个高精度、高分辨率的守恒型差分格式.推广到二维双曲型守恒律方程,证明了格式的MmB特性.进而推广到二维守恒型方程组情形.最后对二维Burgers方程及Euler方程进行了数值试验,数值结果令人满意.     

一种MWENO谱体积(SVMWENO5)格式

构造一种新的谱体积(spectral volume)格式来求解双曲型守恒律,记为SVMWENO5(Spectral Volume method byMulti-Weighted Essentially Non-Oscillatory)格式。其主要思想是:第一步,将空间计算区域划分为一系列单元,称为谱体积,等分每个谱体积为一些子单元,称为控制体积(control volume)。第二步,在谱体积内部采用类似MWENO5(Multi-Weighted Essentially Non-Oscillatory)的格式进行重构,而在谱体积的边界处采用传统WENO5格式进行处理。第三步,利用Runge-Kutta TVD离散方法对半离散格式进行时间离散,得到时空一致高精度全离散格式。最后,在文中给出几个经典数值算例用以验证本格式的计算能力。     

基于非结构动网格的非定常激波装配法

从ALE方程出发,通过修正体积的新思路构建离散几何守恒律,基于非结构动网格的信息传递方法得到网格重构以后新网格的流场参数,采用一阶格式捕捉法得到的流场确定装配法的初始激波位置,成功地把激波装配法应用到非定常流动的模拟。模拟超声速飞行环境下整流罩分离的非定常流固耦合过程,在马赫数6条件下装配法和捕捉法的计算结果完全一致,随着马赫数增加,二阶精度格式的捕捉法需要进行调整限制器参数、时间步长等人工干预,但是装配法直到马赫数20计算过程没有出现异常。该基于非结构动网格技术的激波装配方法,与传统的激波装配方法相比,能够用于复杂外形产生的非规则形状激波和非定常流动产生的运动激波,解决二阶精度有限体积法用于高马赫数飞行条件下多体分离过程的流动模拟时遇到的稳定性问题。     

带副翼三维机翼绕流的N-S方程解

提出了一种求解带副翼偏转三维机翼绕流的N-S方程计算方法。采用对接分区网格与分区求解算法的结合,有效地求解绕此外形的复杂流动。提出了一种满足通量守恒的内边界耦合条件。数值方法中选用vanLeer分裂格式离散无粘通量项,并构造了一种Limiter函数以保证TVD性质,采用中心差分格式来离散粘性通量项。数值算例表明该方法是求解带操纵面偏转的机翼绕流的有效方法。     

二维非结构网格的一个TVD型有限体积方法

考虑双曲型守恒律方程,对二维非结构三角形网格给出一种 TVD型有限体积方法,主要思想是在一阶单调格式的基础上,在每一个单元上对变量作单调线性重构函数,时间离散采用二阶 Runge-Kutta方法。通过计算分析了该方法的精度,对平面激波反射和空穴流动的计算结果表明该方法是成功的。     

有相对运动多体动力学系统流动计算方法若干问题讨论

对应用非结构动网格技术数值模拟有相对运动多体动力学系统的流动现象时发现的若干问题进行了讨论.应用动网格技术求解均匀流场,验证了几何守恒律方程离散形式对流场计算精度的重要性,还发现格式时间精度越高、网格运动速度越接近声速,几何守恒律的作用越明显;采用类似于可控轨迹实验的准定常计算方法和非结构动网格技术,分别对超声速气流中物体运动的动力学过程进行了数值模拟,通过流场和运动特性比较和理论分析,指出准定常计算方法本质上无法反映非定常流动特征,即使时间步长趋向零也不会趋向于真解;还讨论了数值模拟非定常流动的双时间法,分析时间推进步长对解的影响,随着时间步长减小解的误差降低,但是这一方法与动网格技术结合解决多体分离问题有难度.     

高精度IPDG湍流模拟及通量格式数值特性北大核心CSCD

为更高精度数值求解复杂湍流问题,在内罚间断伽辽金(internal penalty discontinuous Galerkin,IPDG)方法框架内发展了基于SST k-ω模型的湍流模拟方法,通过对亚/跨/超声速工况下流场的数值计算与湍流特征捕捉,验证了方法的适用性,进而系统分析了AUSM、Lax-F、HLL和Roe 4种通量格式在IPDG湍流模拟中的数值特性。结果表明:AUSM格式在超声速工况下脱体激波面“褶皱”现象明显;Lax-F格式和HLL格式数值耗散大,在激波解析方面精度较低,且Lax-F格式在激波脚后诱导产生流动分离;Roe格式具备宽速域适用性,计算精度较高且能精确解析激波结构。     

GRP格式推广用于多维复杂流动的数值计算

采用算子分裂技术，将原始求解一线流动问题的高精度、高分辨率GRP格式推广用于包含各种不同间断解及其相互作用的多维复杂流动计算。以轴对称管端出口处激波绕射传播为例，作了数值模拟，得到与实验结果吻合很好的流场精细结构。     

混合解析/数值方法及其在湍流数值模拟上的应用

针对带小时间尺度的源项的方程描述的流动问题,提出了混合解析/数值方法。混合解析/数值方法的基本思想是:分裂原始方程组为对流-扩散部分的偏微分方程和源项的常微分方程。偏微分方程采用合适的数值方法求解,而常微分方程采用解析方式积分。模型方程的理论误差研究表明,混合方法提高了源项处理的精度,降低了混合方法的整体数值误差。分析同时表明,基于时间分裂的算法在求解含源项双曲系统的定常类型问题,会存在数值振荡。为此发展了非分裂方式的混合解析/数值方法,在湍流模型数值计算中提高了数值稳定性,而且加快了计算的收敛速度。     

基于离散等价方程的非结构网格有限差分法

激波装配法把解析关系式嵌入流场避免了间断引起的理论问题，使全场一致高精度的实现成为可能，有望解决超声速流动转捩研究中的感受性模拟难题。但装配复杂激波结构以后，被分割的流场空间常出现不规则的几何形状，这给常规的基于结构网格的有限差分法应用带来困难。基于离散等价方程理论，提出了一种新的基于非结构网格的有限差分法，在空间二维离散点附近仅用3条网格线就可以构造出一阶迎风格式。数值算例表明收敛过程对网格质量不敏感，解决了激波装配法模拟激波相交出现小夹角后使用结构网格进行计算存在的难题。根据这种方法的特点展望了未来的应用前景。